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1、管道流体阻力的测定一、实验目的研究管路系统中的流体流动和输送，其中重要的问题之一，是确定流体在流动过程中的 能量损耗。流体流动时的能量损耗(压头损失)，主要由于管路系统中存在着各种阻力。管路中的 各种阻力可分为沿程阻力(直管阻力)和局部阻力两大类。本实验的目的，是以实验方法直接测定摩擦系数久和局部阻力系数。二、实验原理当不可压缩流体在圆形导管中流动时，在管路系统中任意两个界面之间列出机械能衡算方程为P u 2 P u2gZ + 1 + l = gZ + 一 +2 + h1P22P2fJ kg -i或Pu2Pu2Z +1 +1= Z +2 +2+ H1Pg2g 2Pg2gfm 液柱式中： Z 流
2、体的位压头， m 液柱；P 流体的压强， Pa ； au 一流体的平均流速，m s -1；p 流体的密度，kg m- 3；hf 流动系统内因阻力造成的能量损失，J kg-1； H f 流动系统内因阻力造成的压头损失，m液柱。符号下标1和2分别表示上游和下游截面上的数值。 假若：(1)水作为实验物系，则水可视为不可压缩流体；(2) 实验导管是按水平装置的，则Z1 = Z2；(3) 实验导管的上下游截面上的横截面积相同，则u1 = u 2。 因此(1)和(2)两式分别可简化为(1)(2)J kg -1(3)p p12-Pgm 水柱(4)由此可见，因阻力造成的能量损失(压头损失)，可由管路系统的两界
3、面之间的压力差压头差)来测定。流体在圆形直管内流动时，流体因磨擦阻力所造成的能量损失(压头损失)，有如下一般关系式：J kg -1(5)(6)m 液柱式中：d 圆形直管的直径，m；l 圆形直管的长度， m； 久摩擦系数，（无因次）。大量试验研究表明：摩擦系数久与流体的密度p和粘度“管径d、流速u和管壁粗糙度 有关。应用因次分析的方法，可以得出摩擦系数与雷诺数和管壁相对粗糙度s/d存在函数 关系，即(7)通过实验测得久和Re数据可以在双对数坐标上标绘出试验曲线。当ReV2000时，摩 擦系数久与管壁粗糙度s无关。当流体在直管中呈湍流时，久不仅与雷诺数有关，而且与管 壁相对粗糙度有关。J kg -
4、1当流体流过管路系统时，因遇各种管件、阀门和测量仪表等而产生局部阻力，所造成的 能量损失（压头损失），有如下一般关系式：2gf2m 液柱式中：u 连接管件等的直管中流体的平均流速，m s-1；z 局部阻力系数（无因次）。由于造成局部阻力的原因和条件极为复杂，各种局部阻力系数的具体数值，都需要通 过实验直接测定。三、实验装置 本实验装置主要是由循环水系统（或高位稳压水槽）、试验管路系统和高位排气水槽串 联组合而成，每条测试管的测压口通过转换阀组与压差计连通。压差由一倒置U形水柱压差计显示。孔板流量计的读数由另一倒置U形水柱压差计显 示。该装置的流程如图1 所示。试验管路系统是由五条玻璃直管平行，
5、排列经U形弯管串联连接而成。每条直管上分 别配置光滑管、粗糙管、骤然扩大与缩小管、阀门和孔板流量计。每根试验管测试段长度， 即两测压口距离均为0.6m。流程图中标出符号G和D分别表示上游测压口（高压侧）和下 游测压口（低压侧）。测压口位置的配置，以保证上游测压口距U形弯管接口的距离，以及 下游测压口距造成局部阻力处的距离，均大于50倍管径。图 1 管路流体阻力实验装置流程1循环水泵2光滑试验管3粗糙试验管4扩大与缩小试验管5孔板流量计6阀门7转换阀组8高位排气水槽作为实验用水，用循环水泵或直接用自来水由循环水槽送入试验管路系统，由下而上依 次流经各种流体阻力试验管，最后流入高位排气水槽。由高位
6、排气水槽流出的水，返回循环 水槽。水在试验管路中的流速，通过调节阀加以调节。流量由试验管路中的孔板流量，计测 量并由压差计显示读数。四、试验方法实验前准备工作需按如下步骤顺序进行操作：(1) 先将水灌满循环水槽，然后关闭试验导管入口的调节阀，再启动循环水泵。待泵运 转正常后，先将实验导管中的旋塞阀全部打开，并关闭转换组中的全部旋塞，然后缓慢开启 实验导管的入口调节阀。当水流满整个试验导管，并在高位排气水槽中有溢流水排出时，关 闭调节阀，停泵。(2) 检查循环水槽中的水位，一般需要再补充些水，防止水面低于泵吸入口。(3) 逐一检查并排除实验导管和连接管线中可能存在的空气泡。排除空气泡的方法是，
7、先将转换阀组中被检一组测压口旋塞打开，然后打开倒置u形水柱压差计顶部的放空阀， 直至排净空气泡再关闭放空阀。必要时可在流体流动状态下，按上述方法排除空气泡。(4) 调节倒置 u 形压差计的水柱高度。先将转换阀组上的旋塞全部关闭，然后打开压差 及顶部放空阀，再缓慢开启转换阀组中的放空阀，这时压差计中液面徐徐下降。当压差计中 的水柱高度居于标尺中间部位时，关闭转换阀组中的放空阀。为了便于观察，在临试验前， 可由压差及顶部的放空处，滴入几滴红墨水，将压差计水柱染红。(5) 在高位排气水槽中悬挂一支温度计，用以测量水的温度。(6) 实验前需对孔板流量计进行标定，作出流量标定曲线。实验测定时，按如下步骤
8、进行操作：(1) 先检查实验导管中旋塞是否置于全开位置，其余测压旋塞和实验系统入口调节阀是 否全部关闭。检查完毕启动循环水泵。(2) 待泵运转正常后，根据需要缓慢开启调节阀调节流量，流量大小由孔板流量计的压 差计显示。(3) 待流量稳定后，将转换阀组中，与需要测定管路相连的一组旋塞置于全开位置。这 时测压口与倒置U形水柱压差计接通，即可记录由压差计显示出压强降。(4) 当需改换测试部位时，只需将转换阀组由一组旋塞切换为另一组旋塞。例如，将G1 和D1 一组旋塞关闭，打开另一组G2和D2旋塞。这时，压差计与G1和D1测压口断开， 而与G2和D2测压口接通，压差计显示读数即为第二支测试管的压强降。
9、依次类推。(5) 改变流量，重复上述操作，测得各种实验导管中不同流速下的压强降。(6) 当测定旋塞在同一流量不同开度的流体阻力时，由于旋塞开度变小，流量必然会随 之下降，为了保持流量不变，需将入口调节阀作相应调节。(7) 每测定一组流量与压降数据，同时记录水的温度。实验注意事项：(1) 实验前务必将系统内存留的气泡排除干净，否则实验不能达到预期效果。(2) 若实验装置放置不用时，尤其是冬季，应将管路系统和水槽内水排放干净。五、实验数据记录及整理(1) 实验基本参数实验导管的内径 d = 17 mm实验导管的测试段长度 l = 600 mm粗糙管的粗糙度 = 0.4 mm粗糙管的相对粗糙度eld
10、 = 0.0235孔板流量计的孔径 d0 = 11 mm 旋塞的孔径 d v =12 mm孔流系数 C0 =0.6613(2) 流量标定曲线(3) 实验数据实验序号孔板流量计的压差计读数，R l mmHg水的流量，V l m3s-1s水的温度，Tl C水的密度，p l kg m-1水的粘度，“ l P s”a光滑管压头损失，H l mmH Of12粗糙管压头损失，H l mmH OI /f22 旋塞压头损失，(全开)H l mmH Of22孔板流量计压头损失，H一 l mmH一0(4)数据整理实验序号水的流速，“ / ms-i1 雷诺准数，Re/2 光滑管摩擦系数，久/3 1粗糙管摩擦系数，入/4 I U i 八 T 2孔板流量计局部阻力系数，Z/T r 1rrirrT5 旋塞的局部阻力系数，z/6 列出表中各项计算公式(5)标绘Re 久试验曲线六、思考题(1)测试中为什么需要湍流？(2)流量调节过程中为什么倒U形压差计两支管中液位上下移动的距离不象U形压差计那样对等升降？
